DE102006037512B4

DE102006037512B4 - Modul und Verfahren zur Herstellung eines Moduls mit übereinander gestapelten Bauelementen

Info

Publication number: DE102006037512B4
Application number: DE102006037512A
Authority: DE
Inventors: Jens Pohl; Michael Bauer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2026-08-11
Also published as: DE102006037512A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von übereinander gestapelten Bauelementen (11, 12, 13; 101, 102), wobei
– eine Mehrzahl von Bauelementen (11, 12, 13; 101, 102) bereitgestellt wird,
– auf jeweils mindestens eine Oberfläche einer Anzahl der Bauelemente (11, 13; 101) ein oder mehrere im Wesentlichen kugelförmige Bewegungselemente (14, 15; 104) aufgebracht werden,
– die Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) übereinander gestapelt werden, sodass sich zwischen zwei benachbarten Bauelementen (11, 12, 13; 101, 102) jeweils eines oder mehrere der Bewegungselemente (14, 15; 104) befinden, und
– die Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) durch Verbindungselemente (16; 103) untereinander in ihrer Position gehalten werden, wobei die Verbindungselemente Lötverbindungen (16; 103) sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, welches dazu dient, Bauelemente, die insbesondere jeweils ein oder mehrere Halbleiterchips umfassen, übereinander zu stapeln. Ferner betrifft die Erfindung ein Modul, insbesondere ein Halbleitermodul, mit übereinander gestapelten Bauelementen.
Um zu möglichst kompakten Halbleitermodulen zu gelangen, können Bauelemente übereinander gestapelt werden. Diese Stapelung kann auf Chip-Ebene erfolgen, indem Halbleiterchips übereinander gestapelt werden. Es ist auch möglich, die einzelnen Halbleiterchips zunächst in Gehäuse zu integrieren und anschließend die Gehäuse übereinander zu stapeln.
Die Druckschrift WO 96/37913 A1 als nächstliegender Stand der Technik behandelt das Verkleben eines Bauelements mit einem Substrat, wobei zwischen besagten Komponenten Abstandselemente, Klebstoff und leitende Partikel angeordnet sind.
Die Druckschrift WO 95/20820 A1 offenbart die Verbindung einer Leiterplatte mit einem Bauelement mittels leitfähiger Partikel.
Die Druckschrift US 5 523 628 behandelt übereinander gestapelte Bauelemente, zwischen denen ein elastischer Schutzring aus einem Thermoplasten angeordnet ist.
Die Druckschrift US 5 633 535 offenbart ein über einem Substrat angeordnetes Bauelement, wobei eine gleichmäßige Beabstandung zwischen besagten Komponenten durch Abstandselemente bewirkt wird.
Die Druckschrift WO 2005/117111 A2 offenbart eine Vorrichtung mit übereinander gestapelten Bauelementen, welche durch Abstandselemente getrennt sind.
In der Druckschrift DE 103 03 588 B3 werden Bauelemente auf Waferebene gestapelt, wobei die Bauelemente durch einen Heftstoff fixiert werden. Bei einem Verlöten der Anordnung verdampft der Heftstoff.
Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren gemäß der unabhängigen Patentansprüche 1, 9 und 32 sowie ein Modul gemäß der unabhängigen Ansprüche 18 und 26 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem Aspekt dient das Verfahren zur Herstellung von übereinander gestapelten Bauelementen. Dazu wird eine Mehrzahl von Bauelementen bereitgestellt. Auf jeweils mindestens eine Oberfläche einer Anzahl der Bauelemente werden ein oder mehrere im Wesentlichen kugelförmige Bewegungselemente aufgebracht. Die Bauelemente werden derart übereinander gestapelt, dass sich zwischen zwei benachbarten Bauelementen jeweils ein oder mehrere der Bewegungselemente befinden. Die Bauelemente werden durch Verbindungselemente untereinander in ihrer Position gehalten, wobei die Verbindungselemente Lötverbindungen sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt werden bei dem Verfahren zur Herstellung von übereinander gestapelten Bauelementen mit rollbaren Elementen zwischen den Bauelementen zunächst ein erstes Bauelement und ein zweites Bauelement bereitgestellt. Das erste Bauelement weist eine Oberseite mit ersten Kontaktelementen auf. Das zweite Bauelement weist eine Unterseite mit zweiten Kontaktelementen auf. Auf die Oberseite des ersten Bauelements oder auf die Unterseite des zweiten Bauelements werden rollbare Elemente aufgebracht. Das zweite Bauelement wird über dem ersten Bauelement angeordnet und zwischen den ersten Kontaktelementen und den zweiten Kontaktelementen werden Lötverbindungen hergestellt.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1A und 1B schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung eines Moduls als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2A bis 2D schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleitermoduls als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3A bis 3C schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines weiteren Verfahrens zur Herstellung eines Halbleitermoduls; und
4A und 4B lichtmikroskopische Aufnahmen von Halbleitermodulen.
Im Folgenden werden Verfahren zur Herstellung von übereinander gestapelten Bauelementen beschrieben. Die Erfindung ist unabhängig von der Art des Bauelements. Bauelemente können jede Art von Elementen sein, die gestapelt werden können, die aufgrund von Temperaturschwankungen bei der Herstellung oder bei Benutzung sich verziehen und/oder die miteinander in elektrischer Verbindung stehen sollen. Insbesondere können die Bauelemente elektrische, elektromechanische und/oder elektrooptische Bauelemente sein, z. B. integrierte Schaltungen, Sensoren, mikroelektromechanische Bauelemente (MEMS), Laserdioden usw. Die Bauelemente können auf Halbleiterbasis hergestellt oder auf einem sonstigen Substrat, z. B. Keramiksubstrat, Glassubstrat, Polymer oder PCB, aufgebaut sein. Sie können gehäust oder ungehäust sein.
Bei dem Verfahren werden auf die jeweils mindestens eine Oberfläche der Bauelemente ein oder mehrere Bewegungselemente aufgebracht. Bewegungselemente können z. B. mechanische oder chemische Elemente sein, die eine Bewegung zwischen zwei benachbarten Bauelementen ermöglichen bzw. erleichtern. Mechanische Bewegungselemente können z. B. so ausgeformt sein, dass sie zwischen den zwei benachbarten Oberflächen rollen oder gleiten können.
Während des Aufbringens der Bewegungselemente auf die jeweils mindestens eine Oberfläche der Bauelemente können die Bewegungselemente z. B. in einem Trägerstoff suspendiert sein. Die Erfindung ist unabhängig von der chemischen Zusammensetzung des Trägerstoffs. Der Trägerstoff kann während des Aufbringens auf die jeweils mindestens eine Oberfläche der Bauelemente z. B. in flüssiger, zähflüssiger oder wachsartiger Konsistenz vorliegen. Der Trägerstoff kann z. B. so gewählt sein, dass er nach dem Aufbringen, z. B. während eines Lötvorgangs, verdampft oder sublimiert.
Bei dem Verfahren werden die Bauelemente durch Verbindungselemente untereinander in ihrer Position gehalten. Die Verbindungselemente können aus einem leitenden Material, z. B. aus Metall, hergestellt sein. Auf diese Weise können elektronische Verbindungen zwischen benachbarten Bauelementen hergestellt werden. Die Verbindungselemente können starre Körper sein, z. B. können sie säulenartig ausgestaltet sein. Auf diese Weise können die beiden Bauelemente in starrer Position zueinander gehalten werden.
Die Verbindungselemente können durch einen Lötvorgang hergestellt werden. Es kann z. B. ein Wire-Bond-Verfahren eingesetzt werden. Es können sich auch Lotdepots auf den Bauelementen befinden. Dabei können die Lotdepots sich z. B. auf einem von zwei zu verbindenden Bauelementen befinden oder es können sich auf beiden Bauelementen Lotdepots befinden, die z. B. einander gegenüberliegen und während des Lötvorgangs gemeinsam eine Lötverbindung bilden.
1A und 1B zeigen als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Moduls 10. Das mit dem Verfahren hergestellte Modul 10 ist in 1B schematisch in einer Seitenansicht dargestellt und umfasst eine Mehrzahl von Bauelementen 11, 12 und 13. Die Anzahl der Bauelemente 11, 12 und 13 beträgt in dem ersten Ausführungsbeispiel beispielhaft drei. Das Modul 10 kann aber auch aus zwei, vier, fünf oder aus noch mehr Bauelementen bestehen. Zwischen jeweils zwei benachbarten Bauelementen 11, 12 und 13 befinden sich Bewegungselemente 14 und 15. Die Bauelemente 11, 12 und 13 werden durch Verbindungselemente 16 untereinander in Position gehalten.
Zur Herstellung des Moduls 10 werden zunächst die Bauelemente 11, 12 und 13 bereitgestellt, die beispielsweise Halbleiterchips, insbesondere gehäuste Halbleiterchips umfassen. Auf eine Oberfläche einer Anzahl der Bauelemente 11, 12 und 13 werden die Bewegungselemente 14 und 15 aufgebracht. Beispielhaft ist in 1A gezeigt, dass das Bewegungselement 14 auf die Oberseite des Bauelements 11 aufgebracht wird, während das Bewegungselement 15 auf die Unterseite des Bauelements 13 aufgebracht wird. Die Bauelemente 11, 12 und 13 werden, wie in 1A gezeigt ist, entlang einer Stapelrichtung 17 derart übereinander gestapelt, dass sich zwischen den benachbarten Bauelementen 11 und 12 bzw. 12 und 13 die Bewegungselemente 14 bzw. 15 befinden.
Die Verbindungselemente 16 befinden sich in 1B jeweils in den Zwischenräumen zwischen den Bauelementen 11, 12 und 13. Dies ist nicht einschränkend zu verstehen, die Verbindungselemente 16 können auch außerhalb dieser Zwischenräume angeordnet sein und die Bauelemente 11, 12 und 13 in Position halten.
Das Modul 10 sowie das Verfahren zur Herstellung des Moduls 10 können die Ausgestaltungen oder eine Auswahl der Ausgestaltungen aufweisen, die nachfolgend im Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert werden.
2A bis 2D zeigen als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls 100. Das mit dem Verfahren hergestellte Halbleitermodul 100 ist in 2D schematisch dargestellt. Das Halbleitermodul 100 umfasst ein Basisbauelement 101 und ein Topbauelement 102. Das Topbauelement 102 ist auf dem Basisbauelement 101 angeordnet. Sowohl das Basisbauelement 101 als auch das Topbauelement 102 umfassen beispielsweise jeweils ein Gehäuse, in welches ein oder mehrere Halbleiterchips integriert sind. Die äußeren Formen des Basisbauelements 101 und des Topbauelements 102, wie sie in 2D in einer Seitenansicht dargestellt sind, sind durch die äußeren Formen der jeweiligen Gehäuse bestimmt. Die Gehäuse werden durch Umspritzen der Halbleiterchips mit einer Vergussmasse, beispielsweise einem Kunststoff, hergestellt. Das Basisbauelement 101 und das Topbauelement 102 sind elektrisch und mechanisch über Lotsäulen 103 miteinander verbunden. Ferner befinden sich Kugeln 104 zwischen dem Basisbauelement 101 und dem Topbauelement 102. Die Kugeln 104 dienen als Bewegungselemente, wie weiter unten noch erläutert wird.
Zur Herstellung des Halbleitermoduls 100 wird zunächst das Basisbauelement 101, wie es in 2A gezeigt ist, bereitgestellt. Das Basisbauelement 101 weist auf seiner Unterseite Kontaktflächen auf, die mit Lotkugeln 105 bestückt sind. An stelle der Lotkugeln 105 können auch Pins vorgesehen sein. Im Randbereich der Oberseite des Basisbauelements 101 sind weitere Kontaktflächen angeordnet, auf die Lotkugeln 106 aufgebracht wurden. Die mit den Lotkugeln 105 und 106 versehenen Kontaktflächen sind elektrisch mit dem oder den in das Basisbauelement 101 eingebetteten Halbleiterchips verbunden und dienen zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterchips.
In dem mittleren Bereich der Oberseite des Basisbauelements 101 ist eine Kappe 107 ausgebildet. Die Kappe 107 kann beispielsweise an ihrer Oberseite aus der Vergussmasse bestehen. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Oberseite der Kappe 107 die Unterseite eines Halbleiterchips sein, der mittels Flip-Chip-Technologie in das Basisbauelement 101 eingebaut wurde. Die Kappe 107 bewirkt, dass der mittlere Bereich der Oberseite des Basisbauelements 101 gegenüber dem Randbereich, auf welchem sich die Lotkugeln 106 befinden, erhöht ist.
Bevor das Topbauelement 102 auf das Basisbauelement 101 gestapelt wird, wird auf die Oberseite der Kappe 107 eine Suspension 108 aufgetragen. In einer alternativen Ausgestaltung wird die Suspension 108 auf die Unterseite des Topbauelements 102 aufgebracht. Die Suspension 108 besteht aus einem zähflüssigen oder wachsartigen Trägerstoff, in welchem die Kugeln 104 suspendiert sind.
Die Aufgabe des Trägerstoffs ist es, das Aufbringen der Kugeln 104 auf die Oberseite der Kappe 107 bzw. die Unterseite des Topbauelements 102 zu ermöglichen. Der Trägerstoff sollte daher so gewählt werden, dass er beim Auftragen auf das Basisbauelement 101 bzw. die Unterseite des Topbauelements 102, also z. B. bei einer Temperatur im Bereich von etwa 18 bis 26°C, zähflüssig oder wachsartig ist. Eine solche Konsistenz der Suspension 108 ermöglicht einerseits ein einfaches Auftragen und verhindert andererseits, dass die Suspension 108 von der Kappe 107 bzw. der Unterseite des Topbauelements 102 fließt. Ferner sollte bei der Auswahl des Trägerstoffs für die Suspension 108 beachtet werden, dass – wie weiter unten erläutert werden wird – der Trägerstoff bei dem später durchzuführenden Lötvorgang rückstandsfrei verdampfen bzw. sublimieren muss.
Ein Stoff, der die vorstehend genannten Anforderungen an den Trägerstoff der Suspension 108 erfüllt, ist beispielsweise Benzoesäure in tertiärem Butanol. Tertiäres Butanol schmilzt bei einer Temperatur von 25°C und ist bei niedrigeren Temperaturen wachsartig. Ferner verdampft tertiäres Butanol aufgrund seines hohen Dampfdrucks relativ schnell. Benzoesäure sublimiert rückstandsfrei bei einer Temperatur von etwa 120°C. Da die OH-Gruppen der Benzoesäure sowohl an den Kugeln 104 als auch an dem Kunststoff des Gehäuses des Basisbauelements 101 anhaften, vermittelt die Benzoesäure bis zu ihrer Sublimation eine Adhäsion der Kugeln 104 an der Kappe 107.
Des Weiteren kommen als Trägerstoff der Suspension 108 beispielsweise Koffein, Naphthalin oder Phthalsäureanhydrid infrage, wobei die genannten Stoffe beispielsweise in höheren Alkoholen (ab Butanol), höheren Alkanen (ab Decan) oder zweiwertigen Alkoholen gelöst sind.
Alternativ zu der Verwendung der Suspension 108 wäre es beispielsweise auch denkbar, die Kugeln 104 nicht in einem Trägerstoff zu suspendieren, sondern direkt, d. h. in einem nicht-suspendierten Zustand, auf die Oberseite der Kappe 107 bzw. die Unterseite des Topbauelements 102 aufzubringen. In diesem Fall muss jedoch gewährleistet sein, dass die Kugeln 104 ausreichend gut an der Oberfläche des Kappe 107 bzw. der Unterseite des Topbauelements 102 anhaften, damit sie nicht vor dem Aufbringen des Topbauelements 102 auf das Basisbauelement 101 und dem Lötvorgang von der Kappe 107 rollen bzw. sich von der Unterseite des Topbauelements 102 lösen. Beispielsweise kann dies durch eine elektrostatische Aufladung der Kugeln 104 erreicht werden. Die Ladung der Kugeln 104 muss dabei ein zu der Ladung der Oberfläche der Kappe 107 bzw. der Unterseite des Topbauelements 102 entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen oder eine derartige Ladung in die Oberfläche der Kappe 107 bzw. die Unterseite des Topbauelements 102 induzieren. Eine elektrostatische Aufladung der Kugeln 104 kann beispielsweise durch geeignet gewählte Oberflächengruppen erzielt werden. Des Weiteren bewirkt eine elektrostatische Aufladung der Kugeln 104 eine gegenseitige Abstoßung der Kugeln 104 aufgrund des gleichen Ladungsvorzeichens, was zur Folge hat, dass sich die Kugeln 104 gleichmäßig auf der Oberseite der Kappe 107 bzw. der Unterseite des Topbauelements 102 verteilen. Ferner kann ein Anhaften der Kugeln 104 auf der Kappe 107 bzw. der Unterseite des Topbauelements 102 durch chemische Bindungen erzielt werden. Dazu werden die Kugeln 104 beispielsweise in geeigneter Weise beschichtet oder das Material der Kugeln 104 wird so gewählt, dass die Oberflächen der Kugeln 104 Gruppen aufweisen, die mit Oberflächengruppen der Kappe 107 bzw. der Unterseite des Topbauelements 102 Bindungen eingehen, die stark genug sind, um ein Wegrollen bzw. Abfallen der Kugeln 104 zu verhindern.
In einem weiteren Verfahrensschritt, der in 2B veranschaulicht ist, wird das Topbauelement 102 auf das Basisbauelement 101 entlang einer Stapelrichtung 109 gestapelt. Das Topbauelement 102 weist an seiner Unterseite Kontaktflächen auf, die mit Lotkugeln 110 bestückt sind. Die Kontaktflächen sind elektrisch mit dem oder den in das Gehäuse des Topbauelements 102 eingebetteten Halbleiterchips verbunden. Die Kontaktflächen und die Lotkugeln 110 sind derart in dem Randbereich der Unterseite des Topbauelements 102 angeordnet, dass sie beim Aufsetzen des Topbauelements 102 auf das Basisbauelement 101 den Lotkugeln 106 des Basisbauelements 101 gegenüberliegen.
Nach dem Aufsetzen des Topbauelements 102 auf das Basisbauelement werden Lötverbindungen aus den einander gegenüberliegenden Lotkugeln 106 und 110 erzeugt. In 2C ist durch Pfeile 111 veranschaulicht, dass der Trägerstoff, in welchem die Kugeln 104 suspendiert sind, bei der Erhitzung während des Lötvorgangs rückstandsfrei verdampft bzw. sublimiert und zwischen der Oberseite der Kappe 107 und der Unterseite des Topbauelements 102 nur die Kugeln 104 zurückbleiben. Durch die Erhitzung schmelzen ferner die Lotkugeln 106 und 110 und sich jeweils gegenüberliegende Lotkugeln 106 und 110 bilden Lotsäulen 103 aus, wie sie in 2D gezeigt sind.
Falls das Topbauelement 102 vor dem Lötvorgang mit den Lotkugeln 110 auf den Lotkugeln 106 des Basisbauelements 101 aufsaß, sackt das Topbauelement 102 beim Schmelzen der Lotkugeln 106 und 110 ab und drückt dabei mit dem mittleren Bereich seiner Unterseite die Kugeln 104 gegen die Oberseite der Kappe 107. Zwischen der Kappe 107 und dem Topbauelement 102 liegen die Kugeln 104 dann in der Regel nur noch nebeneinander und nicht mehr übereinander.
Während der Zeitspanne, während der das Lot der Lotsäulen 103 flüssig ist, wirken die Kugeln 104 wie eine Art Kugellager zwischen der Kappe 107 und der Unterseite des Topbauelements 102. Die Kugeln 104 ermöglichen es, dass sich das Topbauelement 102 während dieser Zeit auf dem Basisbauelement 101 bewegen kann und zwar in einer Richtung senkrecht zu der Stapelrichtung 109. In 2D sind diese Freiheitsgrade durch Pfeile 112 veranschaulicht. Vorteilhaft an dieser Bewegungsfreiheit ist, dass das Topbauelement 102 in die richtige Position „einschwimmen” kann, in welcher sich die Lotsäulen 103 im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung 109 ausgerichtet haben.
Falls die Kugeln 104 aus einem elastischen Material gefertigt sind, kommt ihnen neben der Funktion als „Kugellager” eine weitere Funktion zu. Beim Abkühlen und Erstarren der Lotsäulen 103 entsteht in den Lotsäulen 103 durch thermischen Schrumpf eine Zugspannung entlang der Stapelrichtung 109. Da die Kugeln 104 aufgrund ihrer Elastizität einen Teil der Spannungen absorbieren können, verringern sie die durch den thermischen Schrumpf hervorgerufenen mechanischen Spannungen in den Lotsäulen 103 und den mit den Lotsäulen 103 verbundenen Kontaktflächen.
Des Weiteren sind die Kugeln 104 insofern von Vorteil, als dass sie einen räumlichen Abstand zwischen dem Basisbauelement 101 und dem Topbauelement 102 erzeugen, der beispielsweise mit Luft gefüllt ist. Dieser Abstand bewirkt eine thermische Isolierung der beiden Bauelemente 101 und 102. Bei einer Implementierung des Halbleitermoduls 100 in mobilen Anwendungen, wie beispielsweise in Mobiltelefonen, PDAs oder Navigationssystemen, umfasst das Basisbauelement 101 beispielsweise einen Logik-Chip und das Topbauelement 102 beispielsweise Speicherelemente, wie Flash-, SRAM- oder DRAM-Speicherelemente. Während des Betriebs übersteigt die Temperatur des Logik-Chips typischerweise die für die Speicherelemente erlaubte Höchsttemperatur. Der von den Kugeln 104 erzeugte Luftspalt bewirkt eine thermische Isolierung der Speicherelemente von dem Logik-Chip, sodass eine Erwärmung der Speicherelemente durch den Logik-Chip verhindert wird.
Als Materialien für die Kugeln 104 kommen beispielsweise Butadien, Silicon oder EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) infrage. Die genannten Materialien weisen eine für die angegebenen Zwecke ausreichende Elastizität auf. Der Durchmesser der Lotkugeln 104 liegt beispielsweise im Bereich von 40 bis 80 μm und beträgt beispielsweise 50 μm.
Die Vorteile, die mit der Verwendung der Kugeln 104 bei der Herstellung des in 2D gezeigten Halbleitermoduls 100 verbunden sind, werden nachfolgend anhand eines in 3 dargestellten Verfahrens noch einmal verdeutlicht.
Das in 3 dargestellte Verfahren dient in gleicher Weise wie das in 2 gezeigte Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls 200, bei welchem auf einem Basisbauelement 201 ein Topbauelement 202 angeordnet ist. Im Unterschied zu dem in 2 gezeigten Verfahren wird bei dem in 3 dargestellten Verfahren auf Kugeln zwischen dem Basisbauelement 201 und dem Topbauelement 202 verzichtet.
In 3A ist gezeigt, dass das Basisbauelement 201 auf seiner Unterseite mit Lotkugeln 203 bestückte Kontaktflächen aufweist. Im Randbereich der Oberseite des Basisbauelements 201 sind Kontaktflächen, die mit Lotkugeln 204 bestückt sind, angeordnet und in der Mitte der Oberseite des Basisbauelements 201 ist eine Kappe 205 ausgebildet. Das Topbauelement 202 weist an seiner Unterseite im Randbereich Kontaktflächen auf, die mit Lotkugeln 206 versehen sind. Die Kontaktflächen, die mit den Lotkugeln 204 und 206 bestückt sind, sind derart angeordnet, dass beim Aufsetzen des Topbauelements 202 auf das Basisbauelement 201 jeweils zwei Lotkugeln 204 und 206 einander gegenüberliegen.
Während des Lötvorgangs werden die Lotkugeln 204 und 206 geschmolzen und einander gegenüberliegende Lotkugeln 204 und 206 bilden jeweils eine Lotsäule 207. Im Unterschied zu dem in 2 gezeigten Verfahren sackt das Topbauelement 202 mit seiner Unterseite bis auf die Oberseite der Kappe 205 des Basisbauelements 201 ab, sobald die Lotkugeln 204 und 206 aufschmelzen (vgl. 3B). Dadurch wird das Topbauelement 202 in seiner Position fixiert und ein „Einschwimmen” der Lotsäulen 207 in die richtige Position wird verhindert.
Die fehlende Beweglichkeit während des Lötvorgangs kann zu Lötfehlern, beispielsweise in Form von unterbrochenen Lötkontakten oder Kurzschlüssen, führen. Ferner kann die fehlende Möglichkeit des „Einschwimmens” der Lotsäulen 207 im Ergebnis zu Lotsäulen 207 führen, die nicht senkrecht zu der Unterseite des Topbauelements 202 und der Oberseite des Basisbauelements 201 bzw. parallel zu der Stapelrichtung 208 ausgerichtet sind. Derartige schiefe Lotsäulen 207 sind in 3C gezeigt. Schiefe Lotsäulen 207 können gegenüber geraden Lotsäu len 207 eine geringere mechanische Stabilität aufweisen, was letztlich zu einem Aufbrechen der Lotsäulen 207 und zu Funktionsausfällen und Kurzschlüssen führen kann.
Ein weiterer Nachteil, der mit dem Weglassen der Kugeln zwischen dem Basisbauelement 201 und dem Topbauelement 202 verbunden ist, ist dadurch bedingt, dass die Lotsäulen 207 beim Erstarren aufgrund von thermischem Schrumpf eine Zugspannung entlang der Stapelrichtung 208 verursachen. Sofern das Basisbauelement 201 – wie in 3C gezeigt ist – mit einem Halbleiterchip 209 in Flip-Chip-Technologie bestückt ist, kann an dem Halbleiterchip 209 aufgrund der Zugspannung der erstarrten Lotsäulen 207 eine Kantenpressung entstehen (vgl. Blitz 210 in 3C). Die Kantenpressung kann eine Absplitterung von Siliziummaterial von dem Halbleiterchip 209 verursachen und eventuell einen Funktionsausfall des Halbleiterchips 209 nach sich ziehen.
Die Zugspannung in den erstarrten Lotsäulen 207 kann des Weiteren Schälspannungen in den Kontaktflächen, über welche die Lotsäulen 207 mit dem Basisbauelement 201 bzw. dem Topbauelement 202 verbunden sind, hervorrufen. Diese Schälspannungen sind in dem unteren Teil von 3C veranschaulicht, in welchem ein Teilbereich 211 des Halbleitermoduls 200 vergrößert dargestellt ist. Die Schälspannungen auf Kontaktflächen 212 und 213 sind durch Blitze 214 und 215 verdeutlicht. Die Schälspannungen können ein vorzeitiges Ausreißen der Kontaktflächen 212 und 213 verursachen.
In dem in 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird jede der Lotsäulen 103 aus zwei sich gegenüberliegenden Lotkugeln 106 und 110 erzeugt. Alternativ zu dieser Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass nur die Oberseite des Basisbauelements 101 oder nur die Unterseite des Topbauelements 102 mit Lotkugeln bestückt ist und dass demnach Lötverbindungen aus jeweils nur einer Lotkugel hergestellt werden. Gegenüber dieser alternativen Ausgestaltung bietet jedoch das in 2 gezeigte Herstellungsverfahren der Lotsäulen 103 den Vorteil, dass die Lotsäulen 103 trotz ihrer vergleichsweise großen Höhe einen wesentlich geringeren Durchmesser aufweisen. Dies ermöglicht einen kleineren Abstand zwischen den Lotsäulen 103 und somit eine höhere Dichte der Kontaktflächen.
Die Höhe der Lotsäulen 103 wird von der Höhendifferenz zwischen der Oberseite der Kappe 107 und dem Randbereich der Oberseite des Basisbauelements 101 sowie von dem Durchmesser der Kugeln 104 bestimmt. Die Kappe 107 und die Kugeln 104 bilden einen Abstandshalter, der verhindert, dass einander gegenüberliegende Lotkugeln 106 und 110 zu einer gemeinsamen großen Lotkugel aufschmelzen.
In 4A sind lichtmikroskopische Aufnahmen von Lotsäulen gezeigt. In der oberen Aufnahme weist die Kappe des Basisbauelements eine Höhe von 400 μm auf und in der unteren Aufnahme eine Höhe von 600 μm. Für beide Aufnahmen wurden gleiche Basis- und Topbauelemente verwendet. In 4B sind lichtmikroskopische Aufnahmen von schiefen Lotsäulen gezeigt. Die schiefen Lotsäulen wurden durch das direkte Absacken des Topbauelements auf die Kappe des Basisbauelements während des Lötvorgangs verursacht.
In dem in 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden vor dem Aufsetzen des Topbauelements auf das Basisbauelement elastische Kugeln auf die Kappe des Basisbauelements oder die Unterseite des Topbauelements aufgebracht. Die Kugeln dienen zum einen dazu, während des Lötvorgangs eine Verschiebung des Topbauelements auf dem Basisbauelement zu ermöglichen, und zum anderen reduzieren die Kugeln aufgrund ihrer Elastizität mechanische Spannungen in den Lotsäulen und den Kontaktflächen. Zu diesen Zwecken müssen allerdings nicht notwendigerweise Elemente zwischen das Basis- und das Topbauelement eingebracht werden, die eine ideale Kugelform aufweisen. Körper mit der Form beispielsweise eines Rotationsel lipsoids oder eines Zylinders können auch ausreichende Rolleigenschaften aufweisen, um eine gewisse Bewegungsfreiheit des Topbauelements in eine Richtung senkrecht zur Stapelrichtung zu gewährleisten. Als Alternative zu im Wesentlichen kugelförmigen oder rollbaren Körpern ist es auch vorstellbar, im Wesentlichen quaderförmige Plättchen auf die Kappe des Basisbauelements oder die Unterseite des Topbauelements aufzubringen, wobei die Plättchen aus einem ausreichend weichen Material hergestellt sein müssten, sodass durch eine Verkippung oder Torsion der weichen Plättchen eine Beweglichkeit des Topbauelements in einem gewissen Umfang sichergestellt wäre.
Als weitere Alternative zu dem in 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel können ferner weitere Bauelemente unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens über das in 2 dargestellte Topbauelement gestapelt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von übereinander gestapelten Bauelementen (11, 12, 13; 101, 102), wobei – eine Mehrzahl von Bauelementen (11, 12, 13; 101, 102) bereitgestellt wird, – auf jeweils mindestens eine Oberfläche einer Anzahl der Bauelemente (11, 13; 101) ein oder mehrere im Wesentlichen kugelförmige Bewegungselemente (14, 15; 104) aufgebracht werden, – die Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) übereinander gestapelt werden, sodass sich zwischen zwei benachbarten Bauelementen (11, 12, 13; 101, 102) jeweils eines oder mehrere der Bewegungselemente (14, 15; 104) befinden, und – die Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) durch Verbindungselemente (16; 103) untereinander in ihrer Position gehalten werden, wobei die Verbindungselemente Lötverbindungen (16; 103) sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bewegungselemente (14, 15; 104) komprimierbar sind und insbesondere entlang der Richtung (17; 109), in der die Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) gestapelt werden, komprimierbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Bewegungselemente (14, 15; 104) beim Aufbringen auf die Oberflächen der Anzahl von Bauelementen (11, 13; 101) in einem zähflüssigen oder wachsartigen Trägerstoff suspendiert sind.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Trägerstoff beim Herstellen der Verbindungselemente (16; 103) verdampft oder sublimiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bewegungselemente (14, 15; 104) sich nach dem Herstellen der Verbindungselemente (16; 103) frei von Klebstoff zwischen den Bauelementen (11, 12, 13; 101, 102) befinden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei auf den Bauelementen (11, 12, 13; 101, 102) Lotdepots (106, 110) aufgebracht sind und wobei beim Stapeln der Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) die Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) derart ausgerichtet werden, dass ein Lotdepot (106) eines Bauelements (101) einem Lotdepot (110) eines benachbarten Bauelements (102) gegenüberliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) jeweils einen Halbleiterchip, insbesondere einen gehäusten Halbleiterchip, umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Bewegungselemente (14, 15; 104) es zumindest zeitweise ermöglichen, dass die Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung (17; 109), in der die Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) gestapelt werden, bewegbar sind.
Verfahren zur Herstellung von übereinander gestapelten Bauelementen (11, 12, 13; 101, 102) mit rollbaren Elementen (14, 15; 104) zwischen den Bauelementen, wobei: – ein erstes Bauelement (11, 12; 101) bereitgestellt wird, das eine Oberseite mit ersten Kontaktelementen (106) aufweist, – ein zweites Bauelement (12, 13; 102) bereitgestellt wird, das eine Unterseite mit zweiten Kontaktelementen (110) aufweist, – auf die Oberseite des ersten Bauelements (11, 12; 101) oder auf die Unterseite des zweiten Bauelements (12, 13; 102) rollbare Elemente (14, 15; 104) aufgebracht werden, – das zweite Bauelement (12, 13; 102) über dem ersten Bauelement (11, 12; 101) angeordnet wird, und – Lötverbindungen (103) zwischen den ersten Kontaktelementen (106) und den zweiten Kontaktelementen (110) hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die rollbaren Elemente (14, 15; 104) elastisch sind.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die rollbaren Elemente (14, 15; 104) beim Aufbringen auf die Oberseite des ersten Bauelements (11, 12; 101) oder auf die Unterseite des zweiten Bauelements (12, 13; 102) in einem zähflüssigen oder wachsartigen Trägerstoff suspendiert sind.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Trägerstoff beim Herstellen der Lötverbindungen (103) verdampft oder sublimiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die rollbaren Elemente (14, 15; 104) im Wesentlichen kugelförmig sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die rollbaren Elemente (14, 15; 104) auf einen ersten Bereich der Oberseite des ersten Bauelements (11, 12; 101) oder der Unterseite des zweiten Bauelements (12, 13; 102) aufgebracht werden und die ersten Kontaktelemente (106) in einem zweiten Bereich der Oberseite des ersten Bauelements (11, 12; 101) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die ersten und zweiten Kontaktelemente Lotdepots (106, 110) aufweisen und wobei das zweite Bauelement (12, 13; 102) über dem ersten Bauelement (11, 12; 101) derart ausgerichtet wird, dass ein Lotdepot (106) eines ersten Kontaktelements einem Lotdepot (110) eines zweiten Kontaktelements gegenüberliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die rollbaren Elemente (14, 15; 104) sich nach dem Herstellen der Lötverbindungen (16; 103) frei von Klebstoff zwischen dem er sten und dem zweiten Bauelement (11, 12, 13; 101, 102) befinden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei das erste Bauelement (11, 12; 101) einen ersten Halbleiterchip, insbesondere einen ersten gehäusten Halbleiterchip, umfasst und/oder das zweite Bauelement (12, 13; 102) einen zweiten Halbleiterchip, insbesondere einen zweiten gehäusten Halbleiterchip, umfasst.
Modul (10; 100) mit einer Mehrzahl von Bauelementen (11, 12, 13; 101, 102), hergestellt durch: – Bereitstellen einer Mehrzahl von Bauelementen (11, 12, 13; 101, 102); – Aufbringen eines oder mehrerer im Wesentlichen kugelförmiger Bewegungselemente (14, 15; 104) auf jeweils mindestens eine Oberfläche einer Anzahl der Bauelemente (11, 13; 101); – Stapeln der Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102), sodass sich zwischen zwei benachbarten Bauelementen (11, 12, 13; 101, 102) jeweils eines oder mehrere der Bewegungselemente (14, 15; 104) befinden; und – Herstellen von Verbindungselementen (16; 103), welche die Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) untereinander in ihrer Position halten, wobei die Verbindungselemente Lötverbindungen (16; 103) sind.
Modul (10; 100) nach Anspruch 18, wobei die Bewegungselemente (14, 15; 104) komprimierbar sind und insbesondere entlang der Richtung (17; 109), in der die Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) gestapelt werden, komprimierbar sind.
Modul (10; 100) nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei die Bewegungselemente (14, 15; 104) beim Aufbringen auf die Oberflächen der Anzahl von Bauelementen (11, 13; 101) in einem zähflüssigen oder wachsartigen Trägerstoff suspendiert sind.
Modul (10; 100) nach Anspruch 20, wobei der Trägerstoff beim Herstellen der Verbindungselemente (16; 103) verdampft oder sublimiert.
Modul (10; 100) nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei die Bewegungselemente (14, 15; 104) sich nach dem Herstellen der Verbindungselemente (16; 103) frei von Klebstoff zwischen den Bauelementen (11, 12, 13; 101, 102) befinden.
Modul (10; 100) nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei auf den Bauelementen (11, 12, 13; 101, 102) Lotdepots (106, 110) aufgebracht sind und wobei beim Stapeln der Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) die Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) derart ausgerichtet werden, dass ein Lotdepot (106) eines Bauelements (101) einem Lotdepot (110) eines benachbarten Bauelements (102) gegenüberliegt.
Modul (10; 100) nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei die Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) jeweils einen Halbleiterchip, insbesondere einen gehäusten Halbleiterchip, umfassen.
Modul (10; 100) nach einem der Ansprüche 18 bis 24, wobei die Bewegungselemente (14, 15; 104) es zumindest zeitweise ermöglichen, dass die Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung (17; 109), in der die Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) gestapelt werden, bewegbar sind.
Modul (10; 100) mit – einem ersten Bauelement (11, 12; 101), das eine Oberseite mit ersten Kontaktelementen aufweist, – einem zweiten Bauelement (12, 13; 102), das eine Unterseite mit zweiten Kontaktelementen aufweist, wobei das zweite Bauelement (12, 13; 102) über dem ersten Bauelement (11, 12; 101) angeordnet ist, – rollbaren Elementen (14, 15; 104), die zwischen der Oberseite des ersten Bauelements (11, 12; 101) und der Unterseite des zweiten Bauelements (12, 13; 102) angeordnet sind, und – Lötverbindungen (16; 103), über welche die ersten Kontaktelemente mit den zweiten Kontaktelemente verbunden sind.
Modul (10; 100) nach Anspruch 26, wobei die rollbaren Elemente (14, 15; 104) elastisch sind.
Modul (10; 100) nach Anspruch 26 oder 27, wobei die rollbaren Elemente (14, 15; 104) frei von Klebstoff zwischen der Oberseite des ersten Bauelements (11, 12; 101) und der Unterseite des zweiten Bauelements (12, 13; 102) angeordnet sind.
Modul (10; 100) nach einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei die rollbaren Elemente (14, 15; 104) auf einem ersten Bereich der Oberseite des ersten Bauelements (11, 12; 101) angeordnet sind und die ersten Kontaktelemente (106) in einem zweiten Bereich der Oberseite des ersten Bauelements (11, 12; 101) angeordnet sind.
Modul (10; 100) nach einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei die rollbaren Elemente (14, 15; 104) im Wesentlichen kugelförmig sind.
Modul (10; 100) nach einem der Ansprüche 26 bis 30, wobei das erste Bauelement (11, 12; 101) einen ersten Halbleiterchip, insbesondere einen ersten gehäusten Halbleiterchip, umfasst und/oder das zweite Bauelement (12, 13; 102) einen zweiten Halbleiterchip, insbesondere einen zweiten gehäusten Halbleiterchip, umfasst.
Verfahren zur Herstellung von übereinander gestapelten Bauelementen (11, 12, 13; 101, 102), wobei – eine Mehrzahl von Bauelementen (11, 12, 13; 101, 102) bereitgestellt wird, – auf jeweils mindestens eine Oberfläche einer Anzahl der Bauelemente (11, 13; 101) ein oder mehrere Bewegungselemente (14, 15; 104) aufgebracht werden, – die Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) übereinander gestapelt werden, sodass sich zwischen zwei benachbarten Bauelementen (11, 12, 13; 101, 102) jeweils eines oder mehrere der Bewegungselemente (14, 15; 104) befinden, – die Bauelemente (11, 12, 13; 101, 102) durch Verbindungselemente (16; 103) untereinander in ihrer Position gehalten werden, und – die Bewegungselemente (14, 15; 104) beim Aufbringen auf die Oberflächen der Anzahl von Bauelementen (11, 13; 101) in einem Trägerstoff suspendiert sind, wobei der Trägerstoff beim Herstellen der Verbindungselemente (16; 103) verdampft oder sublimiert.